Миронов Анатолий Алексеевич – Заведующий кафедрой «Аэрогидродинамика,
прочность машин и сопротивление материалов»
ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород,
доктор технических наук, доцент
Горохов Сергей Александрович – Эксперт отдела химического оборудования
ООО «Нижегородский центр технической диагностики, экспертизы
и сертификации», г. Нижний Новгород
Панькин Евгений Александрович – Начальник отдела химического оборудования
ООО «Нижегородский центр технической диагностики, экспертизы
и сертификации», г. Нижний Новгород
Святошенко Евгений Леонидович – Эксперт отдела химического оборудования
ООО «Нижегородский центр технической диагностики, экспертизы
и сертификации», г. Нижний Новгород
В химической промышленности в технологических процессах с агрессивными средами и при повышенных требованиях к чистоте продукта широко используются сосуды и аппараты, выполненные из двухслойной стали. В условиях циклического нагружения ресурс работы сосудов и аппаратов часто определяется усталостной прочностью узлов вварки штуцеров. Большой объем исследований по данной проблеме, обзор которых приведен в работах [1-3], выполнен для штуцерных соединений из однослойной стали. Результаты этих исследований нашли отражение в нормах расчета на прочность сосудов и аппаратов при малоцикловых нагрузках [4]. Расчет усталостной прочности сосудов и аппаратов из двухслойной стали дополнительно требует использования кривых усталости, приведенных в [5].
Особого внимания с точки зрения анализа усталостной прочности требуют сварные швы с неполным проплавлением стенки, конструктивный зазор в которых играет роль макроскопического концентратора напряжений. Данный вид сварного соединения используется для вварки относительно тонких патрубков. Анализ усталостной прочности таких штуцерных соединений, выполненный по уточненной методике в соответствии с рекомендациями [4] и [5], показывает, что при относительно низком уровне отношения размаха внутреннего давления Dр к его допустимому значению [р], не превышающем значения 0,5, расчетный ресурс штуцерных узлов не превышает 2.103 циклов. В условиях, когда после выработки расчетного ресурса по результатам технического диагностирования не наблюдается признаков усталостного разрушения, возникает проблема обоснования возможности дальнейшей эксплуатации рассматриваемых объектов.
Одним из наиболее эффективных путей решения данной проблемы является проведение экспериментальных исследований. Это связано с тем, что расчетные методики основаны на использовании приближенных значений эффективных коэффициентов концентрации напряжений сварных узлов и обобщенных кривых циклической прочности металла, дающих консервативную, нижнюю оценку ресурса. Более высокая достоверность результатов по оценке ресурса достигается в результате экспериментальных исследований на натурных образцах. В этом случае воспроизводятся реальные свойства металла сосуда, конструктивные особенности узла, влияние технологического процесса сварки. Подобие процессов накопления повреждений по механизму усталости в сварном узле сосуда и натурном образце обеспечивается равенством амплитуд приведенных напряжений sпр = s1 – s3, где s1, s3 – главные напряжения.
Для учета естественного разброса результатов ресурсных испытаний, связанного со стохастической природой явления усталости, при разработке программы проведения испытаний образцов, по мнению авторов, необходимо учитывать нормативные коэффициенты запаса прочности по числу циклов нагружения nN = 10 и амплитуде напряжений ns = 2, обеспечивающие требуемый уровень безопасности эксплуатации объекта. Учет коэффициентов запаса по циклической прочности приводит к двум различным программам испытаний.